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透水性混凝土路面材料强度的研究
- 2019-06-13 -

1 研究背景与目的
  随首我国经济的发展和城市建设步伐的加快,现代城市的地表逐步被建筑物和混凝土路面覆盖。便捷的交通设施,平整铺设的道路给人们的出行带来了极大的方便,但这些不透水的路面也给城市的生态环境带来诸多负面的影响。由于混凝土铺筑的路面缺乏透水性和透气性,雨水不能渗入地下,致使地表植物由于严重缺水而难以正常生长;不透气的路面很难与空气进行热量、水分的交换,缺乏对城市地表温度、湿度的调节能力,产生所谓的“热岛现象”。此外,不透水的道路表面容易积水,降低道路的舒适性和安全性。当短时间内集中降雨时,雨水只能通过下水设施排入河流,大大加重了排水设施的负担。

  与不透水的路面相比,透水性路面具有诸多生态方面的优点,具体表现在以下几方面。


  (1)雨水能够迅速地渗入地表,还原成地下水,使地下水资源得到及时补充;
  (2)提高地表的透气、透水性,保持土壤湿度,改善城市地表生态平衡;
  (3)吸收车辆行驶时产生的噪声,创造安静舒适的交通环境。雨天能防止路面积水和夜间反光,改善车辆行驶、以及行人行走的舒适性与安全性;
  (4)透水性路面材料具有较大的孔隙率,能蓄积较多的热量,有利于调节城市地表的温度和湿度,消除热岛现象。
  由于透水混凝土路面材料具有以上诸多生态方面的优良优点,在人类寻求与自然协调、维护生态平衡和可持续发展的思想指导下,欧美、日本等一些发达国家从80年代开始研究开发透水性路面材料,并将其应用于广场、步行街、道路两侧和中央隔离带、公园内道路以及停车场等,增加城市的透水、透气空间,对调节城市微气候、保持生态平衡起到了良好的效果[1]。90年代以来,国内对透水性混凝土路面材料开始进行了研究,但是到目前为止仍没有达到实际应用的程度。除了人们的认识、地基处理、施工方法等原因之外,产品本身的性能也没有达到十分完善的程度。与密实的混凝土道路材料相比,透水性混凝土的强度较低,为了使其具有透水性,在混凝土内部必须保持一定的孔隙率,这样就必然降低材料的强度。现有的研究一般采用与普通混凝土相同的原材料,所配制的透水性混凝土其抗压强度一般只能达到20MPa左右[2,3]。而现行的国家标准对人行道路砖的强度要求优等品为30MPa[4]。本研究采用优化骨料、调整配比、掺入矿物细掺料、有机增强剂等方法,使透水性混凝土的强度得到了提高,为该类生态型道路材料走向实用化奠定基础。
2 透水性混凝土的结构模型与破坏特征
  透水混凝土的配比特点是采用单粒级粗骨料作为骨架,水泥净浆或加入少量细骨料的砂浆薄层包裹在粗骨料颗粒的表面,作为骨料颗粒之间的胶结层,形成骨架——空隙结构的多孔混凝土材料,其结构模型如图1所示。由图1可以看出,透水性混凝土是粗骨料颗粒间通过硬化的水泥浆薄层胶结而成的多孔堆聚结构,内部含有较多的孔隙,且多为直径超过1mm的大孔,因此具有良好的透水性,如图2所示,但同时强度比普通混凝土低很多。
  根据结构模型可知,透水性混凝土受力时通过骨料之间的胶结点传递力的作用,由于骨料本身的强度较高,水泥凝胶层很薄,水泥凝胶体与粗骨料界面之间的胶结面积小,因此其破坏特征是骨料颗粒之间的连接点处破坏。因此在保证一定孔隙率的前提下,增加胶结点的数量和面积,提高胶结层的强度是提高透水性混凝土强度的关键。

3 提高透水性混凝土强度的试验方案
  根据上述分析,本研究拟订从优化原材料、调整配比、掺入矿物细掺料和有机增强等几方面的措施来提高透水性混凝土的强度。
3.1 减小粗骨料粒径
  骨料粒径越小,比表面积越大,所形成的结构骨架单位体积内骨料颗粒之间的接触点数量多,胶结面积越大,从而提高透水混凝土的整体强度。
3.2 掺入矿物细掺料和高效减水剂
  由于包裹骨料的水泥浆层较薄,水泥凝胶体与骨料之间的过渡区所占比重较大,而水泥硬化体内部含有较多的毛细孔和微裂缝,因此水泥凝胶体的强度及胶结能力较低。借鉴高性能混凝土中掺入平均粒径只有0.1~1.2微米矿物细掺料,提高混凝土密实度、减小过渡区的经验,本研究在水泥浆中掺入少量的矿物细掺料,同时使用高效减水剂使其分散,填充于水泥凝胶体的毛细孔和微裂缝中,达到提高胶结强度的目的。
3.3 采用有机增强剂改善表层强度
  作为路面材料,通常要求表层具有良好的耐磨性和平整度。按常规方法配制的透水性混凝土,水泥凝胶体与骨粒颗粒之间的胶结强度较低,处于表层的骨料颗粒很容易脱落,而使道路表面凹凸不平。为提高透水性混凝土表层的耐磨性以及凝胶体对骨料颗粒的握裹力,本研究采用有机增强剂,利用其微填充、阻裂和提高粘结力的作用,大大改善骨料与水泥凝胶体之间界面的性质,从而提高透水性混凝土表层的力学性能。
4 试验方

编号
粒度分布5~10mm2.5~5mm1.25~2.5mm0.6~1.25mm
类别碎石河砂河砂河砂

 (3)硅灰,微硅粉,比表面积18000m2/kg左右,平均粒径0.1μm。


  (4)高效减水剂 北京城建集团构件厂产DFS-2高效减水剂
  (5)有机改性剂 A剂(乙酸乙烯酯—乙烯共聚乳液)、B剂(聚乙烯醇缩甲醛)。
4.2 试件制备及养护
  试件的制作采用加压成型工艺,成型压力为1.5MPa。对于由基层和面层复合而成的试件,采用两次布料,一次加压的工艺。成型后表面覆盖塑料薄膜以防止水分散失,24小时后拆模放入养护室,在标准条件下养护至28天龄期。试件的尺寸规格为:10cm×20cm×6cm(用于抗压试验),10cm×30cm×6cm(用于抗折试验),10cm×10cm×6cm(用于测透水系数)。
4.3 性能测试方法
  (1)抗压强度
  参照建材行业标准JC446-91测定试件的抗压强度。采用液压式万能压力机加压,受压面积为120cm×60cm,加载速度为0.3~0.5MPa/s,抗折强度取5个试件结果的平均值。
  (2)抗折强度
  参照标准JC446-91测定试件的抗折强度。在液压式万能压力机上进行,采用“三点法”破型,跨距为24cm,加载速度约为0.1~0.2MPa/s,抗折强度取5个试件结果的平均值。
  (3)透水系数
  采用自行设计的透水仪,见图3。该设备为两端开口的有机玻璃方框,尺寸为10cm×10cm×30cm。透水仪正面刻有刻度(单位:cm),可用于计量。测量前,先将试件四周用蜡封好,然后将透水仪置于试件上方,透水仪和试件之间用半热的蜡条封好,待蜡条冷却后,向透水仪中加水至超过20cm刻度。待水面下降至16cm刻度时开始计时,下降至14cm再计时一次。透水系数按下式计算:
    V=H/Δt
式中 H——水位下降高度,20mm;
   Δt——水从160mm高度降至140mm的时间(s)。

4.4 试验结果及分析
  (1)硅灰的增强作用
  由表2数据可见,与第1组未掺硅灰的混凝土相比,第2组单掺6%的硅灰后,强度并未提高反而略有下降,透水系数则降低了50%;第3组同时掺入硅灰和高效减水剂,混凝土的强度提高60%以上,而透水系数仍保持在2.9mm/s较高的水平。从试验结果可以看出,硅灰与高效减水剂同时掺入具有很好的增强作用。硅灰粒径微细,在水泥凝胶体中具有微填充作用,使骨料与水泥浆体的界面强度得到改善,宏观上则表现出整体强度大幅度增加。但是硅灰必须和高效减水剂同时使用,才能发挥其增强效果。其原因是,在没有减水剂掺入的条件下,水泥浆体容易形成絮凝结构,将一部分水包裹在絮团之中,硅灰的颗粒更加微细,表面能更大,掺入之后只能使絮凝结构加剧,不仅起不到微填充作用,反而使凝胶体内部含有更多的孔隙。而高效减水剂分子具有很强的表面活性作用,能够打破浆体的絮凝作用,使微细的粉体颗粒充分分散在浆体中,使硅灰的细小颗粒填充到水泥凝胶体的毛细孔中,实现增强效果。
 
 
表2 硅灰对透水性混凝土的增强

试件编号集灰比水灰比S/G
(%)
SF/(C+SF)
(%)
Aj
(%)
抗压强度
(MPa)
抗折强度
(MPa)
透水系数
(mm/s)
1-13.750.28180021.53.94.0
1-24.00.28186020.13.01.9
1-34.00.221860.835.56.82.9

 

  注:G:粗骨料Ⅰ; S:细骨料Ⅳ; C:水泥; W:水; SF:硅灰; Aj:高效减水剂。

(2)有机增强剂的增强作用
  表3、表4分别表示有机增强剂A、B的掺量变化对透水性混凝土强度的影响。可以看出,随着有机增强剂掺量的增加,透水性混凝土的强度也增加。表3中增强剂A的掺量在5~10%之间,强度增加效果不太明显,当掺量增长至15%后,强度猛然增加并趋于稳定,所以A剂的最大掺量控制在10~15%之间比较合适。表4中增强剂B的掺量在15%~40%之间变化,增强效果都比较明显,然而变化幅度比较小。因此B剂的最大掺量应控制在15%以下,一方面是从透水性要求考虑,一方面也是为了降低材料的成本。
表3  有机增强剂A的掺量对透水性混凝土增强作用的影响

编号骨料
种类
集灰比A的掺量
(%)*
水灰比透水系数
(mm/s)
7d抗折强度
(MPa)
7d抗压强度
(MPa)
28d抗压强度
(MPa)
2-0300.304.1515.523.3
2-1A350.280.433.7022.740.8
2-2A3100.280.344.5725.143.8
2-3A3150.280.276.1626.744.4
2-4A3200.280.206.3028.146.0

 

  * 增强剂掺量指占水泥用量的百分比,以下相同。
表4 有机增强剂B的掺量对透水性混凝土增强作用的影响

编号骨料
种类
集灰比B的掺量
(%)*
水灰比透水系数
(mm/s)
7d抗折强度
(MPa)
7d抗压强度
(MPa)
28d抗压强度
(MPa)
2-0300.304.1515.523.3
2-1B3150.350.475.1222.740.8
2-2B3200.350.365.5125.143.8
2-3B3300.350.275.7626.744.4
2-4B3400.350.205.9228.146.0

 

  有机增强剂对透水性混凝土的增强作用是通过在骨料与水泥凝胶体的界面区形成具有较高粘结力的膜,并堵塞砂浆内的孔隙来实现的。水泥水化与有机物的成膜同时进行,最后形成水泥浆与有机膜相互交织在一起的互穿网络结构,这种结构使得骨料颗粒与水泥凝胶体牢固地粘结在一起,从而使混凝土的强度大幅度增加。
  (3)骨料粒径对强度的影响
  由表5中的数据可以看出,使用较小粒径的骨料Ⅲ,同时降低集灰比,即水泥用量相应提高,抗折、抗压强度可以得到一定提高,例如3-2A组试件的强度略高于3-1A,3-2B组的强度高于3-1B组;但是如果只单纯地降低骨料粒径,而集灰比不变,则混凝土的强度反而降低,表5中3-3A组、3-3B组试件的强度测定值就说明了这一点。其原因是采用较小粒径的骨粒,骨料的比表面积增大,如果水泥用量不变,则包裹骨料的水泥浆体减小,骨料与水泥石之间的粘结强度降低,所以混凝土整体强度降低。所以在采用较小粒径骨料的同时,适当增加水泥用量,使得水泥浆足以包裹骨料,形成良好的界面粘结状态,则混凝土单位体积内骨料之间的粘结点增多,能够使整体强度有所增加。
表5 骨料粒径对透水性混凝土强度的影响

编号骨料种类有机增
强剂
集灰比水灰比抗折强度
(MPa)
7天抗压强度
(MPa)
3-1AA3.50.285.4122.5
3-2AA3.00.285.6922.9
3-3AA3.50.284.3218.2
3-1BB3.50.354.4422.0
3-2BB3.00.355.1228.1
3-3BB3.50.354.0918.0

 

5 结 论
  由以上试验结果及其分析,可得出以下几点结论。
  (1)由于透水性混凝土内部含有较多的孔隙,采用常规的材料很难达到较高的强度;
  (2)采用矿物细掺量,并配合使用高效减水剂,能够使透水性混凝土的强度提高60%左右,配制的路面砖抗压强度可以达到35MPa以上,可以作为人行路、轻车路材料使用;
  (3)采用有机增强材料,可使透水性混凝土材料的抗压强度达到40MPa以上,从强度指标上可满足车行道路面材料的使用要求;
  (4)采用较小粒径的骨料可以提高透水性混凝土的强度,但必须同时调整水泥用量。